X100管線鋼管的技術要求及研究開發

馬秋榮，張對紅，郭志梅

(1.中國石油集團石油管工程技術研究院，西安710077；2.石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室，西安710077；3.中國石油集團管道建設項目經理部，北京100101)

X100管線鋼管的技術要求及研究開發

馬秋榮1,2，張對紅3，郭志梅3

(1.中國石油集團石油管工程技術研究院，西安710077；2.石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室，西安710077；3.中國石油集團管道建設項目經理部，北京100101)

結合X100管線鋼管開發研究成果，對X100管線鋼管開發研究中普遍關注的斷裂控制、高屈強比、各向異性、缺陷容限和韌脆轉變行為等主要問題進行了分析討論。研究結果表明，用DWTT試驗和Battelle總結的85％SA對應溫度經驗方法能準確預測X100鋼管的韌脆轉變溫度和斷裂行為；目前只有全尺寸實物爆破試驗法是適用于X100管線裂紋止裂行為預測的可靠方法。因此，X100管線鋼管的應用還需根據具體管線服役工況，在API SPEC 5L標準基礎上，補充屈強比、止裂韌性及DWTT等關鍵技術指標的要求，以保證X100管線的服役安全。

焊管；X100；屈服強度；抗拉強度；沖擊韌性；止裂韌性

1 國際上X100鋼管研究開發及應用現狀

從1990年起，國際上就開始了X100管線鋼管開發及工程應用的研究。英國BP公司與鋼鐵、制管企業合作，開發了X100管線鋼管，并進行了冶金、理化性能評價，可焊性評估以及鋼管現場彎曲試驗。為確定X100管材對鋼管長程開裂的止裂能力，還進行了多次全尺寸爆破試驗。歐洲鋼管公司也已生產出厚度為20mm的X100管線鋼，用來制造直徑為914mm的鋼管，目前還試制了25.4mm厚的鋼板。日本JFE也對X100的研究應用做了大量的工作。從1995年開始，JFE就著手X100鋼管的試制工作，已經生產試制了3 300 t X100管線鋼管，做了力學性能、焊接、涂覆、全尺寸爆破、止裂器應用等在內的大量研究。

高壓輸氣管線裂紋擴展止裂性能一直是國際上關注的熱點問題，CSM和Advantica等已進行了多次X100鋼管全尺寸爆破試驗。通過這些試驗，CSM逐步建立了X100鋼管全尺寸爆破試驗的數據庫，并取得了一定的成果。

經過十多年的研究，X100鋼管開發水平得到了很大的提高，在全尺寸氣體爆破試驗之外，開始小規模建設試驗段和試運行。這些試驗段的建設旨在展示制造X100鋼管技術的可靠性以及建設超高壓輸送管道的可行性。

國外試驗段/示范段建設的目的主要是獲取X100的制造、試驗和建設(焊接和現場冷彎)經驗，評估極地寒冷環境施工技術(焊接和冷彎)，研究鋼管拉伸和壓縮應變行為和基于應變的設計方法，進一步增大規模，證明X100鋼管的適用性，檢驗X100鋼管抗第三方損傷、疲勞、應力腐蝕等方面的服役性能。

X100試驗段大多是在現有管線上敷設，一般不超過5km，雖然已經成功建設了多條X100試驗段。但是迄今為止所有的管道試驗段都是在低應力系數水平下運行，沒有在真正X100的設計應力工況下運行。建設試驗段的目的集中在管道的設計、X100管線鋼管組織生產、施工技術的考核和改進上。對鋼管強度、韌性和可靠性的考核主要依靠實驗室試驗和試驗場試驗。

2 X100鋼管技術要求

API SPEC 5L標準[1]規定了X100需要滿足的基本理化性能(分別見表1和表2)。實際應用還需根據工程實際情況制定各種補充技術條件，確定各種技術指標，如屈強比、沖擊功值、DWTT等。

表1 API SPEC 5L標準規定的產品化學成分要求％

表2 API SPEC 5L標準規定的拉伸性能要求

API SPEC 5L附錄G規定了適用于夏比沖擊試驗的PSL2鋼管和訂購用于輸氣管線管體抗延性斷裂擴展PSL2鋼管的補充條款，同時也為確定鋼管延性斷裂止裂CVN沖擊功值提供了指南。

表3是附錄G中提供的5種止裂韌性預測方法和其應用范圍的說明，目前只有全尺寸爆破試驗方法適用于超高強度鋼管(X90及其以上鋼級)。該方法建立在全尺寸爆破試驗的基礎上，對特定設計與輸送流體的管線止裂韌性進行驗證。目前，這是唯一可以讓大家普遍接受的可信的確定X90或X100超高強度管線鋼管止裂韌性的方法。

表3 API SPEC 5L標準推薦的5種止裂韌性預測方法和應用范圍

3 X100管線鋼管開發研究的主要問題

3.1 X100管線鋼的斷裂控制

延性裂紋的長程擴展是天然氣管道失效后果最嚴重的失效模式之一，往往會造成災難性的后果，尤其隨著輸送壓力和管線鋼強度的升高，風險也變得越來越大。因此，高壓輸氣管道的動態延性斷裂控制和止裂預測成為關系管道安全的最重要的問題。現有的確定鋼管延性斷裂止裂沖擊功值的5種方法，目前只有全尺寸實物爆破試驗法適用于超高強度鋼管。

X100管線鋼管現有實物爆破試驗數量少、數據分散，不能有效支持止裂韌性預測值(或修正值)，按目前實物爆破試驗數據(如圖1所示)，X100管線鋼管止裂韌性應達到Battelle預測值的2.4倍甚至更高。因此X100管線鋼管的自身止裂問題一直存在爭論，一般當設計系數較低時，基本可實現自身止裂；當服役條件很茍刻時(富氣、高設計系數、低溫)則需要使用外部止裂器。

全尺寸爆破試驗成本相當昂貴，而且每次試驗獲得數據較少，試驗只針對特殊的管道運行和環境條件，試驗結果的普適性較差。為了促進X100鋼管的工程應用，有必要針對X100管線鋼展開深入的動態延性斷裂研究，并開發出新的適用于X100管線鋼的止裂韌性預測方法。同時，應進行大量全尺寸氣體爆破試驗，來驗證新的止裂預測模型的有效性和X100管線鋼止裂預測值的準確性。并形成X100管線鋼全尺寸氣體爆破試驗數據庫，確定合適的修正系數。當服役條件很茍刻時(富氣、高設計系數、低溫)，比較可行的是使用外部止裂器，外部止裂器的結構設計、止裂能力驗證、材料優選等也需要進行深入研究。

圖1 現有的部分全尺寸實物氣體爆破試驗結果

近年來，歐洲、日本和國內的一些專家在X100管線裂紋擴展和止裂預測方面做了大量的研究工作，也分別提出了X100管線裂紋擴展止裂的預測方法[2-4]，這些研究工作將極大地促進X100管線鋼管的工程應用。

3.2 高屈強比與穩定塑性變形能力

TMCP工藝適合批量生產高強度管線鋼，但同時屈強比也會隨著強度的增加而變大。X100管線鋼管的屈強比可能超過0.97(如圖2所示)，因而穩定塑性變形的能力將比低鋼級的鋼管小。為兼顧經濟效益和生產率，鋼廠必須優化工藝，生產出低屈強比的高強度鋼，增強鋼管的塑性變形能力，適應現場冷彎和100％SMYS(規定最小屈服強度)水壓試驗的要求。國外通過增加鋼管抗變形能力的要求，對應力應變行為做更嚴格的要求，通過優化X100管線鋼冶煉及軋制工藝，已經生產出屈強比不超過0.95的X100管線鋼管[5]。此外，X100管線鋼管應變時效會對X100管線鋼的性能產生一定的影響，如何在鋼管涂敷過程中對應變時效效應進行控制并制定出合理的涂敷工藝應引起足夠的重視。

圖2 國產X100直縫鋼管屈強比分布圖

3.3 各向異性對鋼管變形能力的影響

X100管線鋼管的各向異性明顯，尤其是直縫埋弧焊管，橫向和縱向的屈服強度差在100MPa左右(見表4)；環向不同位置取樣的屈服強度也相差80～90MPa。根據國外的研究，當管道變形量較大時各向異性對管道的應力應變行為及變形能力有一定的影響。

表4 X100直縫埋弧焊管縱向和橫向拉伸強度

3.4 缺陷容限的要求

Battelle建立的預測鋼管軸向裂紋開裂公式(見公式(1))已被廣泛應用[6-8]，此公式是在早期管線鋼的各個鋼級上通過多次爆破試驗總結出來的，當時鋼級在X70以下，屈強比低于0.87，沖擊功均在30～120 J。

可按Folias公式計算出M，即

式中：σf—失效應力，MPa；

σ0—流變應力，σ0=(Rt0.5+Rm)/2，MPa；

d—缺陷深度，mm；

t—壁厚，mm；

M—鼓脹系數；

2C—缺陷長度，mm；

R—鋼管半徑，mm。

為了證明Battelle預測公式的適用性，國外對X100鋼管進行了含缺陷鋼管水壓爆破試驗[9]，結果表明，Battelle公式能準確預測X100管線鋼管軸向表面缺陷的失效行為，屈強比較小的鋼管其預測結果更保守。表5是兩種規格含表面缺陷X100鋼管的缺陷容限試驗條件和試驗結果。

表5 兩種規格含表面缺陷X100鋼管的缺陷容限試驗條件和試驗結果

3.5 X100管線鋼管的韌脆轉變行為

20世紀70年代進行的大量試驗表明，用DWTT試驗得出的試樣剪切面積和韌脆轉變溫度與全尺寸管線鋼管的行為之間有良好的一致性。裂紋擴展的韌脆轉變溫度可用DWTT試樣85％SA對應的溫度來表示，這個要求可以保證管線鋼管不發生脆性斷裂。

圖3是Φ1 422mm×19.1mm X100管線鋼管DWTT試驗、夏比沖擊試驗和West Jefferson爆破試驗結果對比圖[10]。試驗表明，用Battelle總結的經驗方法仍然可以預測X100管線鋼管的韌脆斷裂轉變行為，盡管采用TMCP工藝生產的管線鋼存在斷口分離對斷裂面積的測量帶來了一定的困難。圖4是-20℃下DWTT試樣斷口形貌與West Jefferson試驗鋼管斷口形貌照片。這些都表明用DWTT試驗和Battelle總結的85％SA對應溫度經驗方法能準確預測X100鋼管的韌脆轉變溫度和斷裂行為。

圖3 X100管線鋼管DWTT試驗、夏比沖擊試驗和West Jefferson爆破試驗結果對比圖

4 結束語

新的天然氣管線建設將向更大的輸送能力發展，將達到450～500億m3/a，采用更高工作壓力和更大直徑管道輸送是必然的選擇。在已有的X100管線鋼和鋼管的研究、開發及應用的基礎上，圍繞X100輸氣管道的設計方案、X100管材關鍵技術指標及技術標準、斷裂控制、X100管道整體服役性能等多方面開展研究，突破超高強度高壓輸氣管道延性動態斷裂及止裂預測的瓶頸，結合成型工藝、焊接工藝、焊材開發等研究，形成X100管制造技術，將最終實現在高性能X100管線鋼管應用方面的突破。

[1]API SPEC 5L，管線鋼管規范[S].

[2]MAKINO H，TAKEUCHI I，HIGUCHI R.Fracture arrestability of high pressure gas transmission pipelines by high strength linepipes[C]∥Pipeline Technology Conference，Ostend：[s.n.]，2009：35-37.

[3]馬秋榮，霍春勇，馮耀榮.X100高壓輸送管線裂紋止裂預測探討[J].焊管，2013(3)：22-26.

[4]MA Q R，HUO C Y.Comparison and analysis on specification of X80 line pipe for 2nd West-east Gas Transmission Pipeline Project[C]∥International Pipeline Conference.Calgary，Alberta，Canada：[s.n.]，2010：699-705.

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[6]DEMOFONTI G，MANNUCCI G，SPINELLI C M，et al.Large diameter X100 gas linepipes：Fracture propagation evaluation by full-scale burst test[C]∥3rd International Pipeline Technology Conference，Belgium：[s.n.]，2000：509-520.

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[9]BARSANTI L，MANNUCCI G，HILLENBRAND H G，et al.Possible use of new materials for high pressure linepipe construction：AnopeningonX100gradesteel[C]∥4thInternational Pipeline Conference，Calgary：[s.n.]，2002：287-298.

[10]MAKINO H，TAKEUCHI I，HIGUCHI R.Fracture arrestability of high pressure gas transmission pipelines by highstrengthlinepipes[C]∥PipelineTechnologyConferenence，Ostend：[s.n.]，2009.

Development and Technical Requirements of Grade X100 Line Pipe

MA Qiurong1,2,ZHANG Duihong3,GUO Zhimei3
(1.CNPC Tubular Goods Research Institute,Xi’an 710077,China;2.State Key Laboratory of Service Behavior and Structural Safety of Tubular Goods and Equipment,Xi’an 710077,China;3.CNPC Pipeline Construction Project Management Department,Beijing 100101,China)

In combination of research results on X100 line pipe,it discussed common interested problems such as fracture control，higher yield ratio，anisotropy,defect tolerance，ductile to brittle transition，etc.The researched results showed that the ductile-brittle transition temperature and the fracture behavior of X100 steel pipe can be accurately predicted through corresponding temperature of 85％SAof DWTT test;and only full-scale burst test is a reliable method to predict fracture behavior of X100 pipeline.Therefore,at present the additional technical requirements shall be made according to the actual engineering situation，to determine the various technical indicators based on API SPEC 5L standard，such as the yield ratio,arrest toughness,DWTT and so on,to ensure the service safety of X100 line pipe.

welded pip;X100；yield strength;tensile strength;impact toughness;arrest toughness

TG142.1

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.12.002

馬秋榮(1966—)，男，碩士，教授級高工，主要從事石油管材料的研究工作。

2016-09-14

李紅麗